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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2012.tde-14082012-113947
Document
Author
Full name
Francisco Júlio do Nascimento
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2012
Supervisor
Committee
Ribatski, Gherhardt (President)
Cotta, Renato Machado
Sphaier, Leandro Alcoforado
Title in Portuguese
Estudo teórico-experimental da transferência de calor e da perda de pressão em um dissipador de calor baseado em microcanais
Keywords in Portuguese
Dissipador de calor
Ebulição convectiva
Microcanais
Perda de pressão
Transferência de calor
Abstract in Portuguese
A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico em um dissipador de calor baseado em microcanais. Este tipo de dissipador de calor tem sido usado para a intensificação da troca de calor em sistemas compactos e de alto desempenho. A intensificação da troca de calor promovida pelo escoamento em microcanais é acompanhada de um incremento na perda de pressão, portanto o estudo destes dois parâmetros é essencial para o entendimento dos fenômenos relacionados e fundamental para o desenvolvimento de ferramentas de projeto para dissipadores de calor baseados em microcanais. Inicialmente, um levantamento bibliográfico extenso sobre a ebulição convectiva em microcanais de reduzido diâmetro foi realizado. Este estudo da literatura trata de critérios de transição entre micro- e macro-escala, padrões de escoamento, métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e perda de pressão. Atenção específica foi dada a estudos de dissipadores de calor baseados em microcanais. Com base nesta análise da literatura, uma bancada experimental foi confeccionada para que dados experimentais de transferência de calor e perda de pressão pudessem ser levantados a partir de um dissipador de calor de microcanais. O dissipador de calor fabricado para este estudo é constituído de 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de profundidade e espaçados entre si de 200 µm. Experimentos foram executados para o R134a, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, título de vapor máximo de 0,35 e fluxos de calor de até 310 kW/m². Como conclusão deste trabalho observa-se perda de pressão elevada em relação aos valores fornecidos pelos métodos de previsão da literatura e um coeficiente de transferência de calor próximo ao estimado pelo modelo de três zonas proposto por Thome et al. (2004).
Title in English
A theoretical and experimental study on heat transfer and pressure drop in a heat sink based on microchannels
Keywords in English
Convective boiling
Heat sink
Heat transfer
Microchannel
Pressure drop
Abstract in English
This study presents a theoretical and experimental investigation on single and two-phase flows in a microchannel based heat sink. Multi-microchannel heat sinks are able of dissipating extremely high heat fluxes under confined conditions. Such characteristics have attracted the attention of academia and industry and actually several studies are being carried out in order to evaluate and optimize such devices. Initially, an extensive investigation of the literature concerning convective boiling in micro-scale channels was performed. This literature review covers transitional criteria between micro- and macro-scale flow boiling, two phase flow patterns, heat transfer coefficient and pressure drop during convective boiling. Special attention was given to studies concerning microchannels based heat sinks. Based on this investigation, an experimental facility was built for performing heat transfer and pressure drop measurements during single-phase flow and flow boiling in microchannel based heat sinks. For this study, a microchannel based heat sink was also manufactured. The heat sink contains 50 rectangular parallel microchannels, 15 mm long, 100 µm wide by 500 µm deep and separated by 200 µm walls. Experiments were performed for R134a, mass velocity of 400-1500 kg/m²s, maximum vapor quality of 0,35 and heat fluxes up to 310 kW/m². The database obtained in the present study was compared against pressure drop and heat transfer coefficient prediction methods from the literature. It was found that no one method is accurate in predicting heat sink pressure drop while heat transfer coefficient results were accurately predicted by the 3-zone model proposed by Thome et al. (2004).
 
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Nascimento_F_J.pdf (7.11 Mbytes)
Publishing Date
2012-08-20
 
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